高速铁路钢轨波磨对车辆-轨道动态响应的影响

第４期　高速铁路钢轨波磨对车辆一轨道动态响应的影响　２　６　４　８　Ｏ　Ｏ　１　１　２９　３计算结果与分析　能　能　载荷的最大值。图７给出了轮轨垂向力最大值与波　，　侃　柏　加　∞磨深度的关系。图７表明，钢轨波磨越严重（波磨　波深越深）轮轨垂向作用力越大，二者近似呈线性　关系。　１４０　运用前面建立的数值模型，计算分析高速铁路　车辆以时速３００　ｋｍ通过不同深度钢轨波磨线路地　段时波磨对轮轨相互作用、车辆运行稳定性的影　响。考虑到波长固定机理效应，以现场测试的高速　铁路钢轨波磨为基础，通过控制波磨深度模拟不同　ｊ四　＋＜１２０　ｌｏｏ　萄８詹　０　程度的钢轨波磨状态，这些波磨深度分别是：　（１）０．２倍波深，幅值减小为测量数据的　０．６倍波深，幅值减小为测量数据的　１．０倍波深，原始测量数据；　１．４倍波深，幅值放大为测量数据的　１．８倍波深，幅值放大为测量数据的　３．１　钢轨波磨对轮轨相互作用的影响　在高速铁路车辆一轨道耦合系统动力学分析　中，钢轨波磨属于轮轨接触界面几何不平顺激励形　式［１　。钢轨波磨激励对轮轨相互作用的影响一方　面表现为轮轨接触载荷的波动。图６为３种钢轨波　磨几何不平顺激励下，４轴高速车辆的第１位轮对　（导向轮对）左侧轮轨垂向力的历程曲线。由图６　可见，在不同的钢轨波磨激励下，轮轨接触载荷波　动的谷值点、峰值点出现的位置几乎相同，也就是　说钢轨波磨深度不会改变轮轨垂向力波动的相位　特征。　２．Ｏ　２．５　３．０　３．５　４．ｏ　纵向位置／ｍ　图６轮轨垂向力历程曲线　轮轨接触载荷波动对车辆运行的影响主要表现　为，轮轨接触载荷最大值决定轮轨系统关键部件的　受力水平，接触载荷越大，相关部件的受力水平越　高，越容易出现病害。因此，应严格控制轮轨接触　黍６０　现场测得波磨深度的倍数，倍　图７轮轨垂向力最大值与波磨深度的关系　钢轨波磨激励对轮轨相互作用影响的另一方面　表现在轮重减载上。图８为不同钢轨波磨深度时的　轮重减载率。图８表明，①轮重减载率随波磨深度　的增加而增大，但增大的速率有逐渐减小趋势；②　当波磨深度为现场测试的波磨深度时，轮重减载率　为５５　（或０．５５），接近轮重减载率的允许限度；　③当波磨深度达到现场测试值的１．８倍时，轮重减　载率约为８８　Ａｏ（或０．８８），超过轮重减载的危险限　度并接近动态轮轨减载率标准值０．９。　现场测得波磨深度的倍数／倍　图８轮重减载率与波磨深度的关系　３．２钢轨波磨对车辆运行稳定性的影响　钢轨波磨引起轮轨接触载荷变化，进而会影响　车辆子系统中车体、构架和轮对位移的变化。在相　同条件下，钢轨波磨越严重，车辆系统各部件的位　移变化越大。　振动加速度是影响车辆运行稳定性的重要因　素。轮轨接触载荷作为车辆一轨道系统的激励源，　直接激励轮对和钢轨，使其获得振动能量，做受迫　振动。轮对的振动能量向上通过一系悬挂传递给构　架，再通过二系悬挂由构架传递给车体。图９、图　１０和图１１分别给出了不同波磨深度时轮对、构架　和车体的振动加速度。可见，轮对、构架、车体的　振动响应依次减弱，构架的振动加速度比轮对的小　３０　中国铁道科学　第３６卷　２个数量级，车体的比构架的又小２个数量级。　钢轨波磨深度变化对车辆构架和车体的振动加　速度有影响，但是在本文计算的钢轨波磨深度范围　内，上述二者的振动加速度绝对值都很小。换言之　就是高速铁路钢轨波磨对车辆构架和车体振动响应　９　昌　异　的影响可以忽略。然而，波磨对轮对振动响应的影　响十分明显，整体表现为波磨深度越大，轮对振动　加速度越大，二者呈近似线性关系。　综合车体、构架和轮对振动加速度响应与波磨　现场测得波磨深度的倍数／倍　深度间的关系可知，高速铁路钢轨波磨不影响车辆　的乘坐舒适性和运行稳定性，但可能加速车辆的簧　下部件的伤损破坏，如一系悬挂、轴箱、车轮踏　面等。　图９轮对振动加速度与波磨深度的关系　ｅ　自　４结论　曩　需　蜷　（１）钢轨波磨越严重，轮轨相互作用越激烈；　不同深度的钢轨波磨不会改变轮轨垂向力波动的相　现场测得波磨深度的倍数／倍　位特征，但轮轨垂向力的最大值随钢轨波磨深度的　增加而近似线性增加；轮重减载率同样随波磨深度　的增加而增加。　图１Ｏ构架振动加速度与波磨深度的关系　。　００５　（２）钢轨波磨对轮对、构架和车体振动加速度　的影响依次减小，减小量高达２个数量级。不同程　度的钢轨波磨对轮对振动加速度影响明显，钢轨波　磨深度越大，轮对振动加速度越大，二者呈线性关　现场测得波磨深度的倍数，倍　邑　００４　层　幅　蜡　ｏ０３　系，而对构架和车体振动响应的影响较小，可以忽　图ｌ１车体振动加速度与波磨深度的关系　略。可见，高速铁路钢轨波磨不影响车辆的乘坐舒　适度，但会加速车辆簧下部件伤损破坏。　参　考　文　献　［１］　温泽峰．钢轨波浪形磨损研究［Ｄ３．成都：西南交通大学，２００６．　（ＷＥＮ　Ｚｅｆｅｎｇ．Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　Ｒａｉｌ　Ｃｏｒｒｕｇａｔｉｏｎ［Ｄ３．Ｃｈｅｎｇｄｕ：Ｓｏｕｔｈｗｅｓｔ　Ｊｉａｏｔｏｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，２００６．ｉｎ　Ｃｈｉｎｅｓｅ）　［２］　赵国堂．钢轨波磨的分形描述［Ｊ］．铁道学报，１９９８，２２（２）：１０６—１０９．　（ＺＨＡＯ　Ｇｕｏｔａｎｇ．Ｆｒａｃｔａｌ　Ｄｅｓｃｒｉｐｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｒａｉｌ　Ｃｏｒｒｕｇａｔｉｏｎｓ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｃｈｉｎａ　Ｒａｉｌｗａｙ　Ｓｏｃｉｅｔｙ，１９９８，２２　（２）：１０６—１０９．ｉｎ　Ｃｈｉｎｅｓｅ）　［３］　ｃＡＲｓＯＮ　Ｒ　Ｍ，ＪＯＨＮＳＯＮ　Ｋ　Ｌ　Ｓｕｒｆａｃｅ　Ｃｏｒｒｕｇａｔｉｏｎｓ　Ｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓｌｙ　Ｇｅｎｅｒａｔｅｄ　ｉｎ　ａ　Ｒｏｌｌｉｎｇ　Ｃｏｎｔａｃｔ　Ｄｉｓｃ［Ｊ］．　Ｗｅａｒ，１９７１，１７（１）：５９—７２．　［４］　ＪＯＨＮＳＯＮ　Ｋ　Ｌ，ＧＲＡＹ　Ｇ　Ｇ．Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｏｆ　ｏｒｒＣｕｇａｔｉｏｎｓ　ｏｎ　Ｓｕｒｆａｃｅｓ　ｉｎ　Ｒｏｌｌｉｎｇ　Ｃｏｎｔａｃｔ［Ｊ］．Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｓ，１９７５，１８９（１）：４５—５８．　［５］　，ＨＩＳＳＦ，ＫＮＯＴＨＥ　Ｋ，ｅｔ　ａ１．Ｔｈｅ　Ｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｗｅａｒ　Ｐａｔｔｅｒｎｓ　ｏｎ　Ｒａｉｌ　Ｔｒｅａｄ［Ｊ］．Ｗｅａｒ，１９９１，　１４４（１／２）：１７９－１９５．　［６］ＨＥＭＰＥＬＭＡＮＮ　Ｋ，ＫＮＯＴＨＥ　Ｋ．Ａｎ　Ｅｘｔｅｎｄｅｄ　Ｌｉｎｅａｒ　Ｍｏｄｅｌ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　Ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｓｈｏｒｔ－Ｐｉｔｃｈ　Ｃｏｒｒｕｇａｔｉｏｎ　Ｉ－Ｊ－１．　Ｗｅａｒ，１９９６，１９１（１／２）：１６１—１６９．　［７］ＴＡＳＳＩＬＬＹ　Ｅ，ＶＩＮＣＥＮＴ　Ｅ　Ａ　Ｌｉｎｅａｒ　Ｍｏｄｅｌ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｏｒＣｒｕｇａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｒａｉｌｓ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｓｏｕｎｄ　ａｎｄ　Ｖｉｂｒａｔｉｏｎ，　１９９１，１５０（１）：２５—４５．　第４期　高速铁路钢轨波磨对车辆一轨道动态响应的影响　３１　［８］　ＴＡＳＳＩＬＬＹ　Ｅ，ＶＩＮＣＥＮＴ　Ｎ．Ｒａｉｌ　Ｃｏｒｒｕｇａｔｉｏｎｓ：Ａｎａｌｙｔｉｃａｌ　Ｍｏｄｅｌｓ　ａｎｄ　Ｆｉｅｌｄ　Ｔｅｓｔｓ［Ｊ］．Ｗｅａｒ，１９９１，１４４（１／２）：　１６３—１７８．　［９］　ＭＵＬＬＥＲ　Ｓ　Ａ　Ｌｉｎｅａｒ　ＷｈｅｅＨ　ｉｌ　Ｍｏｄｅｌ　ｔｏ　Ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅ　Ｓｔａｂｉｌｉｔｙ　ａｎｄ　Ｃｏｒｒｕｇａｔｉｏｎ　ｏｎ　Ｓｔｒａｉｇｈｔ　Ｔｒａｃｋ［Ｊ］．Ｗｅａｒ，　２０００，２４３（１／２）：１２２－１３２．　［１ｏ３　ＭＵＬＬＥＲ　Ｓ　Ａ　Ｌｉｎｅａｒ　ＷｈｅｅＨｈｎ　Ｍｏｄｅｌ　ｔｏ　Ｐｒｅｄｉｃｔ　Ｉｎｓｔａｂｉｌｉｔｙ　ａｎｄ　Ｓｈｏｒｔ　Ｐｉｔｃｈ　ｏｒｒＣｕｇａｔｉｏｎ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｓｏｕｎｄ　ａｎｄ　Ｖｉｂｒａｔｉｏｎ，１９９９，２２７（５）：８９９—９１３．　Ｅｌ１］　翟婉明．车辆一轨道耦合动力学［Ｍ］．３版．北京：科学出版社，２００７．　［１２３　肖新标，金学松，温泽峰．轨下支承失效对直线轨道动态响应的影响［Ｊ］．力学学报，２００８，４０（１）：６７—７８．　（ＸＩＡ０　Ｘｉｎｂｉａｏ，ＪＩＮ　Ｘｕｅｓｏｎｇ，ＷＥＮ　Ｚｅｆｅｎｇ．Ｅｆｆｅｃｔ　ｏｆ　Ｔｒａｃｋ　Ｓｕｐｐｏｒｔ　Ｆａｉｌｕｒｅ　ｏｎ　Ｄｙｎａｍｉｃ　Ｒｅｓｐｏｎｓｅ　ｏｆ　Ｔａｎｇｅｎｔ　Ｔｒａｃｋ［Ｊ］．Ｃｈｉｎｅｓｅ　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ　ａｎｄ　Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ，２００８，４Ｏ（１）：６７—７８．ｉｎ　Ｃｈｉｎｅｓｅ）　［１３］　陈泽深，王成国．车辆一轨道系统高中低频动力学模型的理论特征及其应用范围的研究［Ｊ］．中国铁道科学，　２００４，２５（４）：１－１０．　（ＣＨＥＮ　Ｚｅｓｈｅｎ，ＷＡＮＧ　Ｃｈｅｎｇｇｕｏ．Ｔｈｅｏｒｙ　ａｎｄ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　Ｓｔｕｄｙ　ｏｎ　Ｖｅｈｉｃｌｅ／Ｔｒａｃｋ　Ｓｙｓｔｅｍ　Ｄｙｎａｍｉｃ　Ｍｏｄｅｌｓ　ｉｎ　Ｈｉｇｈ，Ｍｉｄｄｌｅ　ａｎｄ　Ｌｏｗ　Ｆｒｅｑｕｅｎｃｉｅｓ口］．Ｃｈｉｎａ　Ｒａｉｌｗａｙ　Ｓｃｉｅｎｃｅ，２００４，２５（４）：１－ｌＯ．ｉｎ　Ｃｈｉｎｅｓｅ）　［１４］　孙丽霞，姚建伟．高速铁道车辆蛇行脱轨安全性评判方法研究［Ｊ］．中国铁道科学，２０１３，３４（５）：８２—９２．　（ＳＵＮ　Ｌｉｘｉａ，ＹＡＯ　Ｊｉａｎｗｅｉ．Ｈｕｎｔｉｎｇ　Ｄｅｒａｉｌｍｅｎｔ　Ｓａｆｅｔｙ　Ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ　Ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆ　Ｈｉｇｈ　Ｓｐｅｅｄ　Ｒａｉｌｗａｙ　Ｖｅｈｉｃｌｅ［Ｊ］．　Ｃｈｉｎａ　Ｒａｉｌｗａｙ　Ｓｃｉｅｎｃｅ，２０１３，３４（５）：８２—９２．ｉｎ　Ｃｈｉｎｅｓｅ）　Ｅｆｆｅｃｔｓ　ｏｆ　Ｒａｉｌ　Ｃｏｒｒｕｇａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｈｉｇｈ　Ｓｐｅｅｄ　Ｒａｉｌｗａｙ　ｏｎ　Ｖｅｈｉｃｌｅ－－Ｔｒａｃｋ　Ｃｏｕｐｌｉｎｇ　Ｄｙｎａｍｉｃ　Ｒｅｓｐｏｎｓｅ　ＧＵ　Ｙｏｎｇｌｅｉ　，ＺＨＡＯ　Ｇｕｏｔａｎｇ　，ＪＩＮ　Ｘｕｅｓｏｎｇ　，ＷＡＮＧ　Ｈｅｎｇｙｕ　，ＷＵ　Ｌｅｉ　（１．Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｃｉｖｉｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　Ｊｉａｏｔｏｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｉｊｉｇ　１０００４４，Ｃｈｉｎｎａ；　２．Ｒａｉｌｗａｙ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｃｈｉｎａ　Ａｃａｄｅｍｙ　ｏｆ　Ｒａｉｌｗａｙ　Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　１０００８１，Ｃｈｉｎａ；　３．Ｃｈｉｎａ　Ｒａｉｌｗａｙ　ｏｒｐｏｒＣａｔｉｏｎ，Ｂｅｉｊｉｇ　１００８４４，Ｃｈｉｎｎａ；　４．Ｓｔａｔｅ　Ｋｅｙ　Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ　ｏｆ　Ｔｒａｃｔｉｏｎ　Ｐｏｗｅｒ，Ｓｏｕｔｈｗｅｓｔ　Ｊｉａｏｔｏｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｅｎｇｄｕ　Ｓｉｅｈｕａｎ　６１００３１，Ｃｈｉｎａ；　５．Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ　ｏｆ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｅｍｅｉ　Ｃａｍｐｕｓ　ｏｆ　Ｓｏｕｔｈｗｅｓｔ　Ｊｉａｏｔｏｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｅｍｅｉ　Ｓｉｃｈｕａｎ　６１４２０２，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｆｉｅｌｄ　ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｔｅｓｔｓ　ｏｆ　ｒａｉｌ　ｃｏｒｒｕｇａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｈｉｇｈ　ｓｐｅｅｄ　ｒａｉｌｗａｙ，ａｎｄ　ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｄｙｎａｍｉｃｓ　ｔｈｅｏｒｙ　ｏｆ　ｒａｉｌｗａｙ　ｖｅｈｉｃｌｅ－ｔｒａｃｋ　ｃｏｕｐｌｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ，ｔｈｅ　ｄｙｎａｍｉｃｓ　ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｍｏｄｅｌ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｖｅｈｉｃｌｅ　ａｎｄ　ｂａｌｌａｓｔｌｅｓｓ　ｔｒａｃｋ　ｏｆ　ｈｉｇｈ　ｓｐｅｅｄ　ｒａｉｌｗａｙ　ｗａｓ　ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ．Ｔｈｅ　ｒａｉｌ　ｃｏｒｒｕｇａｔｉｏｎ　ｄａｔａ　ｏｆ　ｈｉｇｈ　ｓｐｅｅｄ　ｒａｉｌｗａｙ　ｍｅａｓｕｒｅｄ　ｆｒｏｍ　ｆｉｅｌｄ　ｔｅｓｔｓ　ｗｅｒｅ　ｕｓｅｄ　ａｓ　ｓｙｓｔｅｍ　ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ　ｔｏ　ｓｔｕｄｙ　ｔｈｅ　ｅｆｆｅｃｔｓ　ｏｆ　ｒａｉｌ　ｃｏｒｒｕｇａ—　ｔｉｏｎ　ｗｉｔｈ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｄｅｐｔｈｓ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｗｈｅｅｌ－ｒａｉ１　ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｖｅｈｉｃｌｅ　ｒｕｎｎｉｎｇ　ｓｔａｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ　ｈｉｇｈ　ｓｐｅｅｄ　ｒａｉｌｗａｙ．　Ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗｅｄ　ｔｈａｔ，ａｌｔｈｏｕｇｈ　ｔｈｅ　ｒａｉｌ　ｃｏｒｒｕｇａｔｉｏｎ　ｗｉｔｈ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｄｅｐｔｈｓ　ｗｏｕｌｄ　ｎｏｔ　ｃｈａｎｇｅ　ｔｈｅ　ｐｈａｓｅ　ｆｅａｔｕｒｅ　ｏｆ　ｗｈｅｅｌ—ｒａｎ　ｆｏｒｃｅ　ｆｌｕｃｔｕａｔｉｏｎ．ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｉｎｃｒｅａｓｅ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｄｅｐｔｈ　ｏｆ　ｒａｉｌ　ｃｏｒｒｕｇａｔｉｏｎ，ｔｈｅ　ｗｈｅｅｌ－ｒａｉｌ　ｖｅｒｔｉｃａｌ　ｆｏｒｃｅ。ｗｈｅｅ１　ｕｎｌｏａｄｉｎｇ　ｒａｔｅ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　ａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｗｈｅｅｌｓｅｔ　ｗｏｕｌｄ　ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙ　ｉｎｃｒｅａｓｅ．Ｈｏｗｅｖｅｒ，ｔｈｅｒｅ　ｗｏｕｌｄ　ｂｅ　ｌｉｔｔｌｅ　ｉｎｃｒｅａｓｅ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　ａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｂｏｇｉｅ　ｆｒａｍｅ　ａｎｄ　ｃａｒ　ｂｏｄｙ，　ｗｈｉｃｈ　ｃｏｕｌｄ　ｂｅ　ｎｅｇｌｅｃｔｅｄ．Ｔｈｅ　ｒａｉｌ　ｃｏｒｒｕｇａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｈｉｇｈ　ｓｐｅｅｄ　ｒａｉｌｗａｙ　ｗｉｌｌ　ｎｏｔ　ａｆｆｅｃｔ　ｒｉｄｅ　ｃｏｍｆｏｒｔ　ｂｕｔ　ｃａｎ　ａｃｃｅｌｅｒａｔｅ　ｔｈｅ　ｄａｍａｇｅ　ａｎｄ　ｆａｉｌｕｒｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｕｎｓｕｓｐｅｎｄｅｄ　ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ　ｏｆ　ｖｅｈｉｃｌｅ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：Ｒａｉｌ　ｃｏｒｒｕｇａｔｉｏｎ；Ｗｈｅｅｌ—ｒａｉｌ　ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ；Ｒｕｎｎｉｎｇ　ｓｔａｂｉｌｉｔｙ；Ｄｙｎａｍｉｃｓ　ｍｏｄｅｌ；Ｈｉｇｈ　ｓｐｅｅｄ　ｒａｉｌｗａｙ　（责任编辑吴彬）